CN105478994A - 泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法，包括以下步骤：S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；S2、将混合粉末均匀分布在中间层铝合金板材上以及叠放于该中间层铝合金板材底面的金属板材上，然后在中间层铝合金板材的顶面叠放一块金属板材；S3、采用搅拌摩擦焊对叠放的三块板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的泡沫铝金属预制体的三明治板；S4、将至少两块泡沫铝金属预制体的三明治板拼焊连接，或者将泡沫铝金属预制体的三明治板与至少一块拼焊铝合金板材进行拼焊连接，形成拼焊构件；S5、将拼焊构件放入模具中加热发泡，以获得泡沫铝夹芯三明治构件。本发明可以获得芯层铝合金泡孔结构均匀的泡沫铝夹芯三明治构件。

Description

泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法
技术领域
本发明属于铝板焊接技术领域，具体涉及一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法。
背景技术
泡沫铝材料是一种质轻、多空隙的金属材料，它具有高的比强度、高比刚度、高强韧性、降噪隔热、缓冲减振等多重优势，在多个领域具有广阔的应用前景。但是，由于泡沫材料具有随机分布的孔洞结构，导致泡沫铝的抗拉强度和抗弯强度较低，而泡沫铝夹芯三明治结构复合板因其结构类似于工字钢，因此具有很高的抗弯强度和抗拉强度，而且很好的继承了泡沫铝的优异性能，可作为新型建材、汽车等高刚度的结构件。
目前，国内外对泡沫铝夹芯三明治结构的制备有了大量的研究，其制备方法主要有胶粘工艺、热压粉末冶金发泡工艺以及焊接的方法。
胶粘工艺是使用胶黏剂将泡沫铝和上下层金属面板粘结起来的一种物理连接方法，其优点是工艺简单，成本低，但是，芯层与金属面板无法实现可靠的冶金结合，不耐高温和腐蚀，同时，胶粘剂易老化，不能实现面板与芯层间长期有效的结合。
热压粉末冶金发泡工艺是将混合好的铝粉和发泡剂粉末与面板一起放进模具中(混合粉在两块面板中间)，沿轴向热压制，得到可发泡的三明治复合板，再将该复合板加热至使夹芯发泡，进而制得具有冶金界面结合的泡沫铝夹芯三明治结构。该制备方法的优点是界面实现了冶金结合，较胶粘工艺而言，界面结合强度大、耐高温、抗氧化，但是，热压粉末冶金发泡法在热压卸载时，泡沫芯层会发生弹性后效，不利于泡沫芯层均匀性，而且，芯层的粉末在热压时会出现“团聚”现象，使泡沫芯层结构产生空洞缺陷。
焊接的方法又分为激光焊、压力焊以及扩散焊等方法。激光焊可以将制好的泡沫铝和面板表层熔化凝固而焊接在一起，但是，在高温的作用下，泡沫铝内部大量孔隙结构因熔化坍塌而破坏，此外，由于特殊的孔隙结构，采用熔化焊的方法也很难实现较高孔隙率的泡沫铝的焊接。压力焊有半固相和固相连接的特点，但是，在焊接时要求施加较大的顶锻力，容易造成泡沫铝材料的变形，严重破坏原有的孔隙结构。扩散焊是在一定温度和压力下，将待焊件紧密贴合一段时间，是接触面间原子相互扩散形成连接的一种方法，但是，扩散焊接对焊接面表面粗糙度要求较高，同时，需要一定的压力和扩散时间，容易造成泡沫铝变形，延长了生产周期，生产效率低。
而且，目前制备泡沫铝夹芯三明治结构构件时，通常是将泡沫铝夹芯三明治板与实心金属板或者另一块泡沫铝夹芯三明治板通过胶黏剂粘结在一起或者焊接在一起，但是胶粘剂无法实现长期可靠的连接，而焊接会破坏焊缝处的孔隙。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法，它可以解决传统工艺制备预制体致密性和均匀性差，以及板/芯界面冶金结合强度不高等问题；还可对预制体进行大面积连接，或进一步与实心板材进行拼焊成形，然后发泡制备AFS构件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法，包括以下步骤：
S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；
S2、将步骤S1中的混合粉末均匀分布在中间层铝合金板材上以及叠放于该中间层铝合金板材底面的金属板材上，然后在中间层铝合金板材的顶面叠放一块金属板材；
S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的三块板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的泡沫铝金属预制体的三明治板；
S4、将至少两块步骤S3中的泡沫铝金属预制体的三明治板拼焊连接，或者将步骤S3中的泡沫铝金属预制体的三明治板与至少一块拼焊铝合金板材进行拼焊连接，形成拼焊构件；
S5、将步骤S4中的拼焊构件放入模具中加热发泡，以获得泡沫铝夹芯三明治构件。
按上述技术方案，所述发泡剂采用氢化钛、氢化锆或碳酸钙粉，粉末尺寸为20～100μm，发泡剂的质量与两块金属板材的质量比为0.5～2％；所述稳定剂采用金属钙、碳化硅或氧化铝粉，粉末尺寸为0.5～10μm，稳定剂的质量与两块金属板材的质量比为5～15％。
按上述技术方案，所述中间层铝合金板材为铝合金轧制板材或压铸板材，所述中间层铝合金板材的厚度为0.5～10mm；所述金属板材为不锈钢板材、镁合金板材或铝合金板材，所述金属板材的厚度为0.5～10mm。
按上述技术方案，步骤S3中，采用搅拌摩擦焊对叠放的三块板材进行2～20道次的焊接处理，搅拌头的转速为100～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.3mm。
按上述技术方案，步骤S4中，所述拼焊连接为采用搅拌摩擦焊拼接，搅拌头的转速为50～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.2mm。
按上述技术方案，步骤S4中，所述拼焊铝合金板材的厚度与泡沫铝金属预制体的三明治板的厚度相等。
按上述技术方案，步骤S4中，两块泡沫铝金属预制体的三明治板之间、泡沫铝金属预制体的三明治板与拼焊铝合金板材之间均通过凹凸V形坡口连接。
按上述技术方案，步骤S4中，对泡沫铝金属预制体的三明治板与拼焊铝合金板材拼焊连接形成的拼焊构件进行塑性加工成形，制成异型拼焊构件。
按上述技术方案，所述塑性加工成形为冲压成形。
按上述技术方案，步骤S5中，将步骤S4中的拼焊构件放入电阻炉或真空电阻炉中加热发泡，加热温度为580～800℃，保温时间为1～20min，然后取出采用水冷或空冷。
本发明产生的有益效果是：本发明利用搅拌摩擦焊对焊缝组织具有明显细化和均布的特点，先制备致密度和均匀性高、板/芯界面冶金结合强度高的泡沫铝金属预制体的三明治板，再将其与另一块泡沫铝金属预制体的三明治板或者拼焊铝合金板材进行大面积连接，形成设定尺寸的拼焊构件，实现了泡沫材料与实体材料的拼焊成形，再将拼焊构件进行加热发泡，最终获得芯层铝合金泡孔结构均匀的泡沫铝夹芯三明治构件，这些构件可应用于汽车及航空航天领域。本发明大大简化了AFS复合板制备工艺，将传统的6-8道工序简化成3-4道，提高制备效率，降低生产成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的工艺图；
图2是本发明中实施例中步骤S3中搅拌头轴向下压量的示意图；
图3是本发明制备的泡沫铝夹芯三明治构件的结构示意图。
图中：1-混合粉末，2-金属板材，3-中间层铝合金板材，4-搅拌头，5-泡沫铝金属预制体的三明治板，6-拼焊铝合金板材，7-拼焊构件，7′-异型拼焊构件，8-泡沫铝夹芯三明治构件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图3所示，一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法，包括以下步骤：
S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；
S2、将步骤S1中的混合粉末1均匀分布在中间层铝合金板材3上以及叠放于该中间层铝合金板材3底面的金属板材2上，然后在中间层铝合金板材3的顶面叠放一块金属板材2；
S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的三块板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的泡沫铝金属预制体的三明治板5；
S4、将至少两块步骤S3中的泡沫铝金属预制体的三明治板5拼焊连接，或者将步骤S3中的泡沫铝金属预制体的三明治板5与至少一块拼焊铝合金板材6进行拼焊连接，形成拼焊构件7；
S5、将步骤S4中的拼焊构件7放入模具中加热发泡，以获得泡沫铝夹芯三明治构件8。
在本发明的优选实施例中，发泡剂采用氢化钛、氢化锆或碳酸钙粉，粉末尺寸为20～100μm，发泡剂的质量与两块金属板材的质量比为0.5～2％；稳定剂采用金属钙、碳化硅或氧化铝粉，粉末尺寸为0.5～10μm，稳定剂的质量与两块金属板材的质量比为5～15％。
在本发明的优选实施例中，中间层铝合金板材为铝合金轧制板材或压铸板材，中间层铝合金板材的厚度为0.5～10mm；金属板材为不锈钢板材、镁合金板材或铝合金板材，金属板材的厚度为0.5～10mm。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，步骤S3中，采用搅拌摩擦焊对叠放的三块板材进行2～20道次的焊接处理，搅拌头的转速为100～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.3mm。
在本发明的优选实施例中，步骤S4中，拼焊连接为采用搅拌摩擦焊拼接，搅拌头的转速为50～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.2mm。
在本发明的优选实施例中，步骤S4中，拼焊铝合金板材的厚度为1-20mm，最好是与泡沫铝金属预制体的三明治板的厚度相等。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤S4中，两块泡沫铝金属预制体的三明治板之间、泡沫铝金属预制体的三明治板与拼焊铝合金板材之间均通过凹凸V形坡口连接。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤S4中，对泡沫铝金属预制体的三明治板与拼焊铝合金板材拼焊连接形成的拼焊构件进行塑性加工成形，制成异型拼焊构件7′，其中，塑性加工成形为冲压成形。
在本发明的优选实施例中，步骤S5中，将步骤S4中的拼焊构件放入电阻炉或真空电阻炉中加热发泡，加热温度为580～800℃，保温时间为1～20min，然后取出采用水冷或空冷。
以下提供两种不同的实施例对本发明进行说明。
实施例一
本发明包括以下步骤：
S1、将发泡剂和稳定剂粉末进行充分混合：发泡剂采用氢化钛，粉末尺寸50μm，添加量与两块金属板材的质量比为1％；稳定剂采用氧化铝粉，粉末尺寸1μm，添加量与两块金属板材的质量比为10％；
S2、将上述混合粉末均匀分布于下层304不锈钢板材和ADC06中间层铝合金板材上，ADC06中间层铝合金板材的板厚为2mm，盖上上层304不锈钢板材，上下层304不锈钢板材的厚度均为1mm，三块板材的尺寸一致，长度均为200mm，宽度均为300mm；
S3、将上述板坯装卡到搅拌摩擦焊设备的工作平台上，然后进行8次的搅拌摩擦焊焊接，焊接工艺参数为焊接转速800r/min，焊接速度为100mm/min，轴向下压量0.2mm，焊接结束即可获得夹层致密在95％以上的三明治泡沫金属预制体；
S4、将制备的三明治泡沫金属预制体与4mm厚度的6061拼焊铝合金板材进行搅拌摩擦焊拼接，获得拼焊构件，焊接工艺为搅拌头的转速为800r/min，焊接速度为100mm/min，轴向下压量为0.2mm；
S5、将获得的拼焊构件进行冲压成形为异形曲面零件，然后将此异形曲面零件利用模具进行定位，并整体放入电阻炉中进行加热发泡，发泡温度为700℃，保温5min，然后取出采用空冷，即可获芯层泡沫铝孔隙率在79％的泡沫铝夹芯三明治构件。
实施例二
本发明包括以下步骤：
S1、将发泡剂和稳定剂粉末进行充分混合：发泡剂采用氢化钛，粉末尺寸50μm，添加量与金属板材的质量比为1％；稳定剂采用氧化铝粉，粉末尺寸1μm，添加量与金属板材的质量比为10％；
S2、将上述混合粉末均匀分布于下层6061铝合金板材(板厚1mm)和ADC06中间层铝合金板材上(板厚2mm)；盖上上层6061铝合金板材(板厚1mm)，三块板材的尺寸一致，长度均为200mm，宽度均为300mm；
S3、将上述板坯装卡到搅拌摩擦焊设备的工作平台上，然后进行8次的搅拌摩擦焊焊接，焊接工艺参数为焊接转速200r/min，焊接速度为600mm/min，轴向下压量0.1mm，焊接结束即可获得夹层致密在95％以上的三明治泡沫金属预制体；
S4、将制备的三明治泡沫金属预制体与3mm厚度的6061拼焊铝合金板材进行搅拌摩擦焊拼接，获得拼焊构件，焊接工艺为搅拌头的转速为600r/min，焊接速度为300mm/min，轴向下压量为0.2mm；
S5、将获得的拼焊板材进行冲压成形为异形曲面零件，然后将此异形曲面零件利用模具进行定位，并整体放入电阻炉中进行加热发泡，发泡温度为620℃，保温10min，然后取出采用空冷，即可获芯层泡沫铝孔隙率在75％的泡沫铝夹芯三明治构件。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；
S2、将步骤S1中的混合粉末均匀分布在中间层铝合金板材上以及叠放于该中间层铝合金板材底面的金属板材上，然后在中间层铝合金板材的顶面叠放一块金属板材；
S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的三块板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的泡沫铝金属预制体的三明治板；
S4、将至少两块步骤S3中的泡沫铝金属预制体的三明治板拼焊连接，或者将步骤S3中的泡沫铝金属预制体的三明治板与至少一块拼焊铝合金板材进行拼焊连接，形成拼焊构件；
S5、将步骤S4中的拼焊构件放入模具中加热发泡，以获得泡沫铝夹芯三明治构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发泡剂采用氢化钛、氢化锆或碳酸钙粉，粉末尺寸为20～100μm，发泡剂的质量与两块金属板材的质量比为0.5～2％；所述稳定剂采用金属钙、碳化硅或氧化铝粉，粉末尺寸为0.5～10μm，稳定剂的质量与两块金属板材的质量比为5～15％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间层铝合金板材为铝合金轧制板材或压铸板材，所述中间层铝合金板材的厚度为0.5～10mm；所述金属板材为不锈钢板材、镁合金板材或铝合金板材，所述金属板材的厚度为0.5～10mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，采用搅拌摩擦焊对叠放的三块板材进行2～20道次的焊接处理，搅拌头的转速为100～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述拼焊连接为采用搅拌摩擦焊拼接，搅拌头的转速为50～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.2mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述拼焊铝合金板材的厚度与泡沫铝金属预制体的三明治板的厚度相等。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，两块泡沫铝金属预制体的三明治板之间、泡沫铝金属预制体的三明治板与拼焊铝合金板材之间均通过凹凸V形坡口连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对泡沫铝金属预制体的三明治板与拼焊铝合金板材拼焊连接形成的拼焊构件进行塑性加工成形，制成异型拼焊构件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述塑性加工成形为冲压成形。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，将步骤S4中的拼焊构件放入电阻炉或真空电阻炉中加热发泡，加热温度为580～800℃，保温时间为1～20min，然后取出采用水冷或空冷。
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